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精益设计是全生命周期精益设计的简称，由天津大学齐二石教授首先提出。全生命周期精益设计实现了精益思想向工厂设计阶段的延伸，将精益思想、工厂设计、优化理论、系统工程等领域的知识进行融合，借助信息技术、优化工具，实现工厂的科学设计，从工厂设计阶段就尽可能消除运作过程中的浪费源，避免带有明显缺陷的工厂设计方案被实施。精益设计的概念架构如图3-1所示。
图3-1 精益设计的概念架构
精益思想包括所有以消除浪费、持续改善为目的的精益方法，如在确定企业规模时，要使企业规模在满足企业当前需要的同时，尽可能适应环境的变化及企业战略规划的需要；在布置生产线时，要体现物流流动的“一个流”及同期化，员工的多工程化及“多能工”化等特征，充分考虑U型生产线及成组技术；人员配备方面要由传统的“定员制”生产向“少人化”生产发展；同时，建立体现精益思想的物流系统，将物流服务过程中的浪费和延迟降至最低程度，等等。
图3-2给出了面向制造企业的全生命周期精益设计的基本框架。根据该框架，精益设计是一个全生命周期的设计、改善和管理系统，精益思想体现在需求分析到设计、投资决策、生产、销售再回归到需求的整个闭环过程。通过精益设计，实现精益思想对上述闭环过程的指导，从工厂设计阶段开始就彻底消除浪费，是一种事前预防和改进理念，可从根本上避免“亡羊补牢”式的事后改进做法。
图3-2 面向制造企业的全生命周期精益设计的基本框架
实施精益设计是实现精益管理的基础，它为工厂后期顺利推行精益管理创造了条件。同时，从工厂设计阶段就进行消除浪费的工作，可以大大提高改善活动成功的概率。精益思想应用的时间越早，实施改善活动的柔性就越大，改善活动成功的概率就越高，系统所能得到的改善效果就越显著。
当前部分设计院对工厂设计仅涉及工厂布局、场地规划、设备平面布置等粗线条活动，而对于设备加工能力匹配问题、物流成本问题、中间在制品问题及人员配备等问题没有给予足够的考虑，也没有考虑设计方案对市场及企业战略的适应性。设计方案中存在的问题，在实际运行过程中会逐渐显现，有些问题会给企业造成巨额浪费，而精益设计的实施可以弥补部分设计院对工厂设计的不足。
总之，与传统工厂设计相比，精益设计具有较大优势，两者之间的比较如表3-1所示。
表3-1 精益设计与传统工厂设计的比较
全生命周期精益设计的提出有其深刻的思想和时代背景，一方面全生命周期精益设计是针对当前理论界、企业界对精益管理存在片面理解，不能很好地推进精益管理的现状而提出的；另一方面全生命周期精益设计也是目前经济建设、企业发展新阶段的客观要求。其必要性和现实意义具体体现在以下三个方面：
1.企业大发展的需要
经过四十多年的改革开放，我国经济建设取得了举世瞩目的成就，企业发展迅猛，改建、扩建及新建频繁，但是采用的主要模式是规模的单纯扩大或对原有企业模式的简单复制。如果能在前期规划阶段就引入精益理念，进行精益设计，将企业几十年积累的管理经验与精益思想相融合，就能够尽可能杜绝后期运作过程中浪费的发生，具有显著的经济效益和社会效益。与此同时，传统上将精益管理仅仅当作生产部门的事情的看法，已经日益暴露出其缺陷，这客观上也要求企业从整个经营管理系统的高度来实施精益管理，企业局部最优不等于整体最优。
2.制造企业设计中的需要
在传统的工厂设计方案中，设计者没有主动考虑如何从消除浪费的角度进行工厂设计，其主要工作就是尽量满足企业新建、扩建或改建工厂的要求，实施着近乎常规模式的规划、论证和编制成套设计文件的工作。而在工厂的规划期就将精益思想引入工厂设计、产品设计，努力消除工厂后期运作可能发生的浪费，并做到工厂、产品与环境的协调。是符合我国制造企业的现实需要的。
3.循环经济发展的需要
尽管我国制造业高速增长，但这种发展比较依赖廉价劳动力和比较高的资源消耗，劳动力被当作可以随意替换的工具，资源没有好好地被利用，这种发展模式隐藏着巨大危机，已经使我国的制造业遇到了发展瓶颈。面对这样的情形，政府已提出要全面转变经济增长方式，大力发展循环经济，实现高质量发展。在这种背景下，企业全面推行精益管理是实现节约型发展道路的必然途径。全面实施精益管理，就是将精益思想应用到各种行业中，应用到企业的各个环节的工作中，包括设计、销售等环节，即全生命周期精益设计。
贯穿产品整个生命周期的全生命周期精益设计的核心思想是将精益思想应用到工厂设计阶段，它将精益思想与传统工厂设计相结合，并融合价值工程、人因工程、并行工程等先进的管理理念，强调在工厂布局、物流系统、工艺流程、信息系统等环节的设计阶段导入精益思想，从源头上消除企业浪费，避免仅从某一局部去改善已经出现问题的生产环节。全生命周期精益设计改变了传统上将精益与准时化生产等同的理解，将精益思想的理论与技术应用扩展到从需求分析到设计、投资决策、生产、销售再回归到需求的整个闭环过程。具体讲，全生命周期精益设计主要包含如下内容：
1.产品精益设计方法和技术
从20世纪50年代开始，基于传统设计开发经验，结合新兴的统计分析技术、管理技术、IT技术和方法论，人们积极寻找先进的设计理论与方法，TRIZ理论、ADT理论、田口方法、六西格玛设计等一系列新的理论方法应运而生。
在设计阶段出现问题，对最终产品质量的影响几乎是致命的，产品设计质量不仅影响最终产品，还会影响制造工艺和生产环节。严格控制设计开发阶段的质量，是提高产品质量水平的重中之重。
2.“工厂设计”的精益化方法和技术
以往企业在投资决策之后，绝大多数企业仅进行了传统的工厂设计，即工艺设计、设备选型和公用设计等，而没有进行设施设计，没有将精益思想融入工厂设计，这也就导致了企业的设计生产能力与实际生产能力之间存在着很大的差距。全生命周期精益设计将精益思想应用到了工厂设计中去，对生产组织、物流系统、信息系统以及企业组织都进行精益设计，极大地缩小了设计生产能力与实际生产能力之间的差距。
（1）生产组织设计。生产组织方式，是指生产过程中劳动力、劳动工具和劳动对象之间组合的方法和形式，也就是生产过程中人、机、料三者组合的方法和形式。精益生产综合了大量生产与单件生产方式的优点，力求在大量生产中实现多品种和高质量产品的低成本生产，精益生产已被证明为是一种最适用于现代制造企业的生产组织方式。
（2）物流系统设计。精益物流通过消除生产和供应过程中非增值活动产生的浪费，以减少备货时间，提高客户满意度。其目标就是根据客户要求，提供客户满意的物流服务，同时追求把物流服务过程中的浪费和延迟降至最低，不断提高物流服务过程的增值效益。基于精益设计的物流系统应该具有拉动性、高质量、低成本和快速响应的特点。
（3）信息系统设计。信息系统的开发设计过程，是指从问题提出、开发团队组成、总体规划、系统分析、系统设计、系统实施到系统运行维护和评价的全部过程。
（4）企业组织设计。简单地说，企业组织设计就是要把组织的事合理分解成部门的事、岗位的事；把合适的人放到适当的岗位上；让各部门、各岗位的人结为最合理的工作关系，按照最有效的规则从事工作和进行活动。基于精益设计的企业组织设计必须按照PDCA循环以规范的流程进行推进，强调组织设计的动态性和模块化，以快速响应内外部环境的变化。
3.销售服务系统精益设计方法和技术
精益销售系统的职责就是要在销售领域“杜绝无价值活动”。销售中的无价值活动包括：产品定位不当、产品定价不当、顾客选择不当、顾客利益不当、顾客付出不当等。因此精益销售的思想就是要针对这些无价值活动的产生根源采取相应的对策，也就是在恰当的时候，在恰当的地点（渠道），向恰当的顾客，以其恰当的付出，向其提供恰当的产品和服务。
1.常见工厂设计方法
常见的工厂设计方法主要以从至表和相关图为设计依据或输入变量来进行考虑，其中定性方法主要有缪瑟提出的系统布置设计（SLP）方法、Reed的工厂布置方法；定量方法主要有作业单位两两交换法、CRAFT法、图论法、混合整数规划（Mixed Integer Programming，MIP）等，目前也有学者将智能化算法，如模拟退火算法、遗传算法应用到工厂设计中。这些方法都从某种程度上为决策者进行科学的工厂设计、快速的选择设计方案起到了积极的作用。但这些方法也都有一定的不足。定性方法对主观经验依赖性强；定量方法对数据有严格的要求，应用过程中需对系统做出各种必要的假设。在系统规模较小，生产过程较简单的情况下，数学方法较合适，但在对复杂系统进行设计、评价时，若在部门较多、部门形状非矩阵形等情形下，各部分之间关系复杂、数据庞杂，数学方法就难以取得理想的效果，同时在相关图的确定及量化等方面有待进一步完善。
实践中，设计院在进行工厂方案设计时，多采用专家意见法，设计过程中的主要依据是设计人员的经验及工厂提出的要求。这种方法主观性强，标准不易统一，且静态的设计模式难以反映各部分之间的相互关系，同时设计方案的实际运行状况难以显示，也不具备适应环境变化及战略调整的能力。
2.精益设计的仿真方法
仿真方法可使工厂设计具有柔性化和可视化的特征，同时可以解决部门多、工艺复杂的设计问题，能更好地在设计阶段发现问题、消除浪费。常用的仿真软件如eM-plant、VisFactory、eM-Workplace及通用软件Flexsim等都可以与精益思想结合，实现工厂精益设计。
仿真方法的主要优点如下：
（1）直观、可视。仿真软件通过三维的、直观的、可交互的仿真模型，使决策者清晰地了解各工厂设计方法的运行情况，为科学决策提供信息依据。
（2）能处理复杂设计方案。通过参数的调整、实体的改变，仿真模型可以较理想地处理各种部门多、工艺复杂的设计方案，弥补传统量化方法在处理复杂、多维问题方面的不足。
（3）良好的柔性。可以对诸如产品调整、订单变更、机器故障等各种动态的、难以预测的状态进行仿真呈现。通过对各种例外情况的分析，实现对工厂设计方案的科学决策。
（4）较强的数理统计功能。仿真软件可以在工厂设计方案仿真过程中，提供各种关键指标的统计数据、图表，便于设计者进一步分析企业或设计模型原本存在的问题。
（5）合理的时间及费用消耗。通过对实体参数的调整及仿真速度的控制，仿真模型可以在较短的时间内模拟工厂一个季度、一年甚至更长时间的运行情况，用以分析企业近期及中期的经营状况。在为工厂设计者节约大量时间的同时，仿真方法的成本比其他方法更经济。
3.仿真在精益设计中的应用程序
应用仿真进行工厂精益设计主要包括五个步骤，如图3-3所示，实施设计项目前期需要成立联合工作小组，进行有效的信息交流，保证数据收集的完整性、准确性。
图3-3 仿真在工厂精益设计中的应用程序
（1）企业需求分析。不同行业、处于不同发展阶段的企业对工厂设计有着不同的需求。有的企业可能迫切需要找出原设计方案的瓶颈及当生产环境改变时企业可能会遇到的生产问题；有的企业可能迫切需要解决产能问题；有的企业可能急需改善在制品积压的问题。工厂精益设计是一个系统问题，涉及的因素、环节多，只有与联合工作小组进行密切的交流，才能明确企业的需求，有的放矢地进行精益设计工作。
（2）数据准备。按照企业进行工厂精益设计的需要，收集各种相关数据，确定模型中参数、变量的分布情况，确定各个对象之间的关联性。数据整理过程中要保证数据的完整性、可靠性和及时性，在这一过程中同样需要保持与联合工作小组进行密切交流，必要时实地进行工作研究或参照同类型、同规模企业的数据。
（3）模型建立。模型建立应体现精益思想，同时要紧紧围绕企业的需求。只要可以满足企业需求，模型应尽量简化，这样可减少工作量，也能减少不必要的干扰引起的误差。
（4）模型运行及调试。根据整理的数据及各个对象之间的关联，通过连线将各个对象按照一定的流程逻辑关系联系在一起。仿真模型的运行及调试是一个动态的复杂过程，只有通过反复的试验运行，才能取得合理的结果。
（5）选择满意方案。在常态及适当扰动的情形下，运行仿真模型并进行分析，结合企业的当前需求及长期战略规划，采用恰当的指标进行工厂设计方案的选择。
4.某冷轧薄板企业新工厂精益设计实例
现以某冷轧薄板企业新工厂为例进行仿真分析。该厂的主要产品的工艺过程包括酸洗、冷轧、脱脂、退火等，其设施布置示意图，如图3-4所示。
图3-4 设施布置示意图
按照前文所述仿真方法和流程，建立仿真模型的主要过程包括数据收集、模型建立、价值流分析，具体说明如下。
（1）数据收集。主要数据来源如下：
1）企业文档：工艺流程、设施布置图、工作方法、机组、运输工具和其他设备资料。
2）时间研究：对现场的工艺时间和作业时间进行测量和分析。
3）现场调研：与企业部门经理、工程师、操作人员、维修人员进行交流，获得生产计划和市场预测、路线图、工作方法和修理步骤等信息。
4）比较研究：与公司内、行业内和其他行业的类似生产系统的比较研究。
全生命周期仿真要求从生产系统设计开始就建立模型，所以无法直接获得生产、销售、设备利用率等数据，这一点对新生产系统仿真来说是不小的挑战，解决方案是从类似系统、历史资料中获得数据和对有经验的工程师和操作员进行调研。这些数据将在新生产系统建成投产后进行更新。
（2）模型建立。前文提到的冷轧薄板企业采用Flexsim 3.0软件进行仿真分析，该软件是面向操作对象的建模工具，可用于生产、存储和物流系统的建模。模型建立的主要过程如下：
1）设备建模。该企业的仿真模型包括50多个机组或设备。运用3D软件对其进行建模，部分机组如图3-5、图3-6所示。
图3-5 可逆轧机
图3-6 脱脂机
2）设施布置建模。设备建模之后，进行设施布置建模。该企业生产系统的仿真模型包含204个实体，以及数百个实体之间的关系，仿真模型三维透视图如图3-7所示。
3）模型属性和参数设置。在模型中输入各个机组、设备和运输工具的属性和参数数据，使仿真流程和实际工艺流程一致。
图3-7 仿真模型三维透视图
4）模型验证。模型验证包括表面效度验证、假设检验和数据验证三个步骤。由于生产系统尚未建成，故通过对仿真结果和有相同产能的三条已有生产线的月产量进行比较和数据验证，结果表明仿真模型能较好地代表真实的生产系统，如表3-2所示。
表3-2 模型验证
（3）价值流分析。由于冷轧行业的在制品占用资金多，且长时间存放会影响产品质量，所以需要进行价值流分析，以改善流程，减少在制品。现以轧制车间为例进行分析，轧制车间冷轧卷生产线价值流如图3-8所示。
图3-8 冷轧卷生产线价值流
要减少非增值时间，一种方案是从流程上进行改进，即把推动式系统变成拉动式系统，另一种方案是减少运输和等待运输等的非增值时间。以轧制车间的天车调度为例，原方案（方案1）中天车Z 1 有三个任务：把酸洗卷从过跨车运至一号轧前库（任务1），从一号轧前库运往一号可逆轧机M 1 （任务2），和从一号轧前库输送至二号轧前库（任务3）。天车Z 2 的任务是把酸洗卷由二号轧前库运至二号可逆轧机M 2 （任务4）。在进行天车调度时，要综合考虑设备利用率和搬运时间等问题，因此提出两种改进方案（方案2、方案3）。不同方案仿真结果比较如表3-3所示，可见方案2极大地增加了增值时间比例，从而提高了价值，而且没有影响冷轧设备的利用率，因此为推荐方案。
表3-3 不同方案仿真结果比较
工厂精益设计应包括原有工厂的设计改善及新建工厂精益设计两个方面，这里重点介绍精益设计在新建工厂中的应用。对于原有工厂的设计改善仅是在精益设计第一阶段将重点放在对工厂现行运行状况的数据整理与获取方面，后面的步骤基本一致。
工厂精益设计流程包括组建工厂精益设计联合工作小组、形成知识库以及在知识库的指导下确定工厂精益设计方案，工厂精益设计流程如图3-9所示。
图3-9 工厂精益设计流程
1.组建工厂精益设计联合工作小组
为了更好地实现精益设计，需要组建工厂精益设计联合工作小组，其成员应包括掌握精益思想的知识人员、工厂设计人员、企业领导者，同时还有必要请企业的供应商加入，以及考虑消费者的意愿。他们之间相互交流、沟通并形成工厂精益设计知识库，指导工厂精益设计的进行。
2.确定工厂精益规模
确定工厂精益规模是进行工厂精益设计的重要前提之一，它是合理地预测工厂所需空间、安排车间布局以及确定设备数量、布置方案及预留空间的重要依据。工厂规模主要取决于市场规模和市场上已有的供给量。如果市场容量很大，超过了工厂的经济规模，原则上讲，工厂可以按经济规模进行设计。否则，应根据当时的市场需求，“滚动发展”到经济规模。同时工厂规模需要适应企业战略规划，满足“一次规划，分步实施，滚动发展”的要求。
3.精益设计方案构建
这一阶段要综合运用精益生产、系统工程、人因工程、企业管理等学科知识，借助并行技术、信息技术等手段，确定理论上符合精益思想要求的精益设计方案。主要包括如下内容。
（1）生产线布置。基于精益思想的生产线布置要有这样几个特征：物流流动的“一个流”及同期化，员工的多工程化及“多能工”化，设备的整流化。U型生产线布置是精益生产的一个产物。
（2）物流系统设计。按照精益的观点，物流活动是不增值的环节，因此要在满足生产要求的情况下尽量减少物流成本，努力将物流服务过程中的浪费和延迟降至最低。
（3）设备布置。要充分考虑各生产环节之间的关系，在实现产能要求的基础上，尽量做到各设备单元产能均衡，体现精益“一个流”的思想。同时设备的选择不以最先进为标准，而应把体积小、投资少、具有柔性等条件放在首位。
（4）人员配置。传统的生产系统实行“定员制”生产，但这种方式在多品种、小批量的生产方式下，加大了企业成本压力，降低了企业的反应速度。“少人化”能实现随生产量变化，弹性地安排作业人员。实现“少人化”的条件是要有训练有素、具有多种技艺的作业人员，即“多能工”。此外，设计方案还应包括工厂公共设施规划、信息系统设计等方面，应根据工厂的具体需求及企业的实际，有选择地进行。
4.精益设计方案评价
仿真方法是近几年兴起的一个方法，它可以较为准确地体现生产系统对环境变化的反应，并向决策者提供可视化的界面。通过仿真分析提供的各方案的物流成本、中间在制品量、设备利用率等指标数据，结合人因、生产柔性等指标，运用当前各种优化评价算法，可对精益设计方案做出科学决策。
5.浪费分析
消除浪费、持续改善是精益管理的精髓，通过对各方案进行比较，可以对工厂各设计方案的运行状况有一个清晰的认识，综合运用价值流图、约束理论、鱼刺图等工具，能发现系统运行过程中各个非增值环节，如产能匹配、在制品库存等问题，对生产系统进行相应调整、优化，通过反馈机制实现对原方案的改善。
6.确定精益设计方案
在生产系统的浪费问题得到解决后，企业的决策者就可以依据相应的判别标准选择工厂精益设计方案。企业的需求不同，所选的指标及指标的权重应有所区别。选择精益设计方案不是目的，关键是执行精益设计方案并在执行过程中实施标准化工程，不断消除工厂中的浪费。